LPOは800Gトランシーバーをどのように変革しているのでしょうか？

800Gトランシーバー接続で増大する電力上の課題に直面する中、柔軟性を損なうことなく消費電力とコストを削減できるソリューションはあるのでしょうか？Linear Pluggable Optics (LPO)は、まさにその答えを提供します。本記事では、LPOが800G光モジュールをどのように変革しているかを解説し、データセンターネットワークの未来を形作るうえで進化し続けるCPOとLPOの役割を検証します。

従来の800Gモジュールはどのような課題に直面していますか？

光通信技術の進歩は、単なる速度の向上ではなく、消費電力と性能のトレードオフです。ネットワーク速度が1Gから 800G, 信号処理の複雑さが指数関数的に増し、その結果、消費電力とコストが増大し、放熱要件もより厳しくなります。

この中核コンポーネントである光モジュールは、データセンターリンク全体の消費電力と性能をほぼ全面的に左右します。初期の10G光モジュールの消費電力はわずか約1Wでしたが、現在の800Gモジュールは約30Wを消費します。1台のスイッチでは、多くの場合、数十個の光モジュールを連携して動作させる必要があり、全体の消費電力は容易に数キロワットを超えます。そのうち、光モジュールは通常、総エネルギー消費量の40%以上を占めます。これは、データレートが向上するたびに、データセンターがより高いエネルギー消費水準へと押し上げられることを意味します。

そのため、より高いエネルギー効率、より低いコスト、よりシンプルなシステム設計を追求する流れの中で、業界ではより軽量なソリューションであるLPO技術が模索されてきました。

LPOトランシーバーの概要

LPOパッケージング技術とは何ですか？

LPOモジュール（Linear Pluggable Opticsモジュール）は、DSPまたはCDRを省くことで消費電力と遅延を低減する、データセンター向け光モジュールの一種です。複雑なDSPの代わりに、LPOモジュールはモジュール自体に内蔵された高直線性のトランスインピーダンスアンプ（TIAs）とドライバを使用し、ホストネットワーク機器のASICに組み込まれたイコライゼーション機能を利用します。このため、LPOモジュールは、特にデータセンター内の短距離接続において、費用対効果とエネルギー効率に優れたソリューションとなります。

DSPとは何ですか？

DSP（デジタルシグナルプロセッサ）は、高速デジタル信号処理に特化したチップで、信号の等化、増幅、誤り訂正などの処理を担います。従来の高速光モジュールでは、DSPが長距離伝送時の信号減衰を効果的に補償しますが、その代償として消費電力と全体的なコストが増加します。

注：従来の光モジュールがすべてDSPを使用しているわけではありません。ただし、高速モジュールでは、高度な信号要件を満たすために通常DSPが必要です。

CDRとは何ですか？

CDR（クロック・データ・リカバリ）は、信号を復元し、タイミングを再調整するために使用される回路技術です。一部の低速光モジュールでは、信号伝送を安定させるためにCDRが一般的に採用されていますが、高速モジュールでは通常、DSP内に統合されています。LPOアーキテクチャでは、この機能も削除されるため、光モジュールの設計がよりシンプルかつ合理的になります。

LPOと従来のDSPベースのトランシーバーモジュールの違いは何ですか？

従来とは異なり DSPベースのトランシーバーモジュール, LPO技術は、従来のDSP（デジタル信号処理）およびCDR（クロック・データ・リカバリ）チップを取り除くことで光モジュール設計を簡素化し、これらのLPOモジュールはDSP機能をデバイス側のスイッチングチップに統合します。一方、LPOモジュールは、連続時間線形等化（CTLE）および等化（EQ）機能を組み込んだ高線形性ドライバー（Driver）とトランスインピーダンスアンプ（TIA）を保持します。この簡素化された設計により、消費電力とレイテンシが大幅に削減されますが、エラー率がわずかに増加し、伝送距離が制限される可能性があります。

LPOは800G光トランシーバーをどのように変革するのか？

消費電力の削減

DSPベースの800G光モジュールと比較して、800G LPOモジュールは消費電力を最大50%削減できるため、エネルギー使用量と運用コストの削減を目指すデータセンターにとって大きな利点となります。また、消費電力が少ないことでスイッチやサーバーの発熱も抑えられ、全体的なエネルギー効率のさらなる向上につながります。

伝送遅延の短縮

DSPを取り除くことで、LPOトランシーバーは追加の処理ステップを排除し、データ伝送遅延の低減に役立ちます。Dell Technologiesの調査によると、リニア・プラガブル・オプティクスは遅延を最大90%低減できます。

コスト効率の向上

DSPは従来のプラガブルモジュールで最も高価なコンポーネントであるため、これを取り除くことで大幅なコスト削減につながります。

ホットスワップ対応でメンテナンスが容易

CPOソリューションと比較して、LPOは柔軟性とメンテナンス性に優れています。CPOシステムでは、いずれかのデバイスに障害が発生すると、ボード全体の電源を切って交換する必要があり、非常に不便です。一方、LPOは従来のホットプラグ対応設計を維持しており、ホットスワップをサポートし、光ファイバー配線と機器のメンテナンスを簡素化するとともに、より使いやすいソリューションを提供します。

LPOは実際のシナリオでどこに適用されますか？

高密度データセンター相互接続

ハイパースケールデータセンターでは、サーバークラスター間で大量のデータ交換が必要です。従来のプラガブル光モジュールで信号補償に使用されるDSPチップは、電力消費の主な要因です。DSPを排除することで、LPOは個々の光モジュールの消費電力とレイテンシーを大幅に低減します。これにより、高密度環境におけるラックの消費電力が削減され、高速データセンター相互接続を実現するための重要な技術となっています。

AIおよび機械学習のワークロード

AIおよび機械学習タスクには、高速かつ低遅延のデータ交換が必要です。LPOモジュールは極めて低い遅延を実現し、GPUクラスターまたはAIサーバーノード間のデータ伝送を効率化して、全体的なコンピューティング効率を向上させます。そのため、高頻度通信のシナリオに特に適しています。

LPOではどのような課題を考慮すべきですか？

伝送距離の制限

DSPを取り除くことには欠点があります。TIAとドライバーチップではDSPの機能を完全に代替できないため、ビット誤り率が高くなります。その結果、伝送距離は必然的に制限されます。業界では一般に、LPOはデータセンターのラック内におけるサーバーとスイッチ間の接続や、隣接するラック間の相互接続など、特定の短距離用途にのみ適していると考えられています。初期のLPO実装では、数メートルから数十メートルの距離をサポートしており、将来的には最大500メートルまで延長される可能性があります。

ホスト依存性

LPOは、一部の信号処理機能を光モジュールからスイッチまたはサーバー内のASICチップにオフロードします。これは、LPOモジュールの性能が完全に独立したものではなくなり、ホストの能力に大きく依存することを意味します。そのため、LPOの実装には、光モジュールベンダーとシステム機器ベンダー間で、より緊密な共同設計と検証が必要となり、システムの複雑性と結合度が増します。

相互運用性の課題        

現在、LPOの標準化はまだ初期段階にあり、相互運用性の課題につながる可能性があります。LPOを導入する企業には、仕様やソリューションの開発、デバイスやモジュールの限界のテスト、広範な統合テストおよび互換性テストの実施に必要な、十分な技術的専門知識が求められます。

言い換えると、複数のベンダーが混在する環境では、強力な管理と調整がなければ、責任の所在が不明確になったり、責任のなすり付け合いが生じたりする可能性があり、従来のDSPベースのソリューションよりも導入が複雑になります。

CPO vs LPO: データセンターの光接続をリードする技術はどちらか？

まず、CPOとは何かを簡単に理解する必要があります。 

Co-Packaged Opticsは、光学部品と電子部品を同一パッケージ内に統合する高度な光学技術です。このソリューションにより、電気リンク長が短縮されます。消費電力とレイテンシを削減します。また、個別の着脱可能な光モジュールを使用する従来型アーキテクチャと比較して、より高い帯域幅密度を実現できます。CPOは、超高帯域幅、低レイテンシ、エネルギー効率の高いネットワークが不可欠な高性能コンピューティング（HPC）、AI駆動型データセンター、ハイパースケールクラウド環境に特に適しています。

次の表では、LPOとCPOの違いを示します。